Pengujian fatik low cycle pada pipa stainless steel 429EM

1. Pendahuluan

Cylindrical shell merupakan bentuk struktur yang banyak digunakan pada

bidang teknik. Dalam bentuk pipa struktur ini efisien untuk menahan beban aksial

dan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap bending dan torsi. Karena

kegunaan dan penggunaan yang luas ini, sifat-sifat struktur dari cylindrical shell

penting untuk desain struktur yang benar. Pada kasus ini, kita fokuskan pada

cylindrical shell yang relatif ‘tebal’, yang biasanya disebut dengan pipa atau tube.

Jenis proses permesinan pada pipa tidaklah sederhana. Material dalam

bentuk lembaran kemudian dibentuk menjadi bentuk silindris pada suhu yang

tinggi dan pada masing-masing sisinya dilekatkan dengan upsetting atau dengan

las listrik. Setelah pengelasan pipa dibentuk menjadi dimensi yang sesuai,

seperti diameter dan panjang pipa. Pengerjaan dingin pada pipa mengakibatkan

deformasi plastis yang besar sehingga meningkatkan kekuatan yield antara 20-

40% tergantung perbandingan antara ketebalan dengan jari-jari pipa. Pengerjaan

hardening akan meningkatkan kekuatan kafatikan high-cycle tetapi mengurangi

keduktilan dan kefatikan low cycle. Sangat diperlukan pengukuran perubahan

pengerjaan dari sifat-sifat material dengan pengujian actual pada pipa.

Sifat-sifat material, seperti tegangan yield dan kekuatan tarik, biasanya

ditentukan dengan pengujian aksial. Namun demikian ada beberapa kesulitan

untuk pengujian aksial pada pipa karena bentuk geometri seperti bagian rongga

dan dinding tipis. Pencekaman dapat merusak bagian melintang dari specimen

pipa. Tonjolan atau lekukan lokal bisa terjadi pada tekanan rendah tegangan

aksial daripada yang diperlukan kolom kelekukan global.

Pengujian bending dapat digunakan untuk engatasi masalah tersebut

karena tidak memerlukan gripping. Namun, pengujian bending jiga memiliki

beberapa kekurangan. Distribusi tegangan bending tidak seragam diseluruh

penampang melintang dan penampang melintang dapat terdistorsi saat bebab

bending yang besar digunakan.

Pada kasus ini, kita mengembangkan metode pengujian untuk pipa baja

pada wilayah elastik dan plastis dan dilakukan pengujian LCF pada stainless

steel 429EM. Kami menggambarkan wilayah yang berlaku untuk pengujian LCF

pada pipa dengan teori, percobaan dan pendekatan numerik untuk

mempertimbangkan buckling aksial pipa dibawah beban monotonik dan cyclic.

2. Metode Eksperimen

Pipa stainless steel 429EM

Bahan pipa baja adalah jenis stainless steel. Umumnya banyak

digunakan untuk system yang besar untuk mesin mobil karena ketahanan korosi

yang baik. Penampang melintang pada pipa yang dibuat bukan lingkaran yang

sempurna karena tegangan residual dan seam. Diameter luar dari pipa bervariasi

antara 38,15-38,35 mm tergantung pada titik pengukurannya. Ketebalannya

hampir semuanya sama kecuali disekeliling seam.

Metode gripping untuk pipa baja

Liao et al. (5) mengembangkan sistem gripping khusus untuk tube

komposit dan melakukan pengujian monotonik dan cyclic. Pengujian tarik pada

tube berdasarkan referensi ASTM Standard D 2105 dan E 8 (6). Prinsipnya

adalah menyisipkan plug ke dalam kedua ujung dari pipa seperti yang

ditampilkan pada Gambar 1. Plug dan baji dari logam jenis pencekam dipilih

pada penelitian ini. Spesimen pipa dimesin untuk mendapatkan diameter dalam

dan diameter luar yang tetap dan permukaan dalan dan luar dihaluskan untuk

mengurangi pengaruh kekasaran permukaan. untuk mengurangi pengaruh

perbedaan dimensi antara pipa dan plug, pipa dipanaskan dalam oli panas dan

plug logam didinginkan dalam refrigerator sebelum menyisipkannya ke dalam

pipa. Ukuran spesimen pipa dan plug ditunjukkan pada Tabel 1.

Gambar 1. Metode gripping untuk pipa baja

Pengujian tarik

Pengujian tarik pipa baja stainless 429EM dilakukan berdasarkan

prosedur ASTM Standard E 8 (6). Kupon spesimen dipotong dari pipa sepanjang

arah aksial dan kedua ujung diratakan untuk gripping. Karena penampang

melintang dari kupon spesimen tidak simetrik karena lengkungan menyebabkan

regangan pada setiap sisi tidak sama. Regangan pada sisi konkaf dan konveks

diukur menggunakan strain gage dan ekstensometer. Gambar 2 menunjukkan

grafik tarik kupon spesimen yang mana regangan yang diukur adalah pada

kedua sisi spesimen. Kedua grafik bertemu saat regangan lebih dari 0,4%.

Namun awalnya kemiringan linier dari kedua grafik cukup berbeda. Pengujian

bending tiga titik pada seluruh tube dilakukan untuk memperoleh pengukuran

modulus elastik material yang lebih baik. Sifat tarik dan bending material

ditunjukkan pada Tabel 2.

Gambar 2. Grafik tarik dari baja stainless 429EM

Buckling (tekuk) dari cylindrical shell dibawah tekanan monotonik

Selama beberapa dekade, banyak penelitian tentang tekuk pada

cylindrical shell dibawah tekanan aksial yang telah dilaporkan (7,8). Banyak

menggunakan cylindrical shell dengan perbandingan antara jari-jari dengan

ketebalan yang besar (R/t > 500) yang ditekuk pada daerah elastis. Ketika

perbandingan radius-ketebalan berkurang sampai kuarang dari 20, tekukan atau

kekuatan kritis lebih besar dari kekuatan yield. Batterman (9) dan Gerard (10)

memperoleh rumus untuk tekuk aksisimetrik dari cylindrical shell. Sobel dan

Newman (11) melakukan percobaan tekuk pada daerah plastis terhadap pipa

stainless steel 304 dan mebandingkan penelitian beban tekuk dengan analitik

solution dan analisa numerik. Ore dan Durban (12) mempelajari pengaruh batas

kondisi pada kekuatan tekuk menggunakan metode numerik.

Menurut Batterman (9), kekuatan tekuk kritis dapat diturunkan dari

persamaan equilibrium dan bentuk yang sesuai. Jika diasumsikan sebuah model

inkremental yang sesuai, persamaan (1) adalah rumus untuk kekuatan tekuk

kritis. Persamaan (2) adalah rumus berdasarkan teori deformasi.

dimana ES dan ET merupakan modulus sekan dan modulus tangent dan v adalah

Poisson’s ratio. R dan t adalah radius luar dan ketebalan pipa. Pada umumnya,

teori incremental memprediksi lebih konservatif kekuatan tekuk daripada teori

deformasi.

Gerard (10) juga menurunkan kekuatan tekuk kritis yang ditunjukkan

pada persamaan (3).

dimana

Sebagai catatan bahwa kekuatan tekuk pada persamaan (1)-(3)

tergantung pada perbandingan antara radius dengan ketebalan (R/t), tetapi tidak

tergantung pada panjang cylindrical shell.

Kekuatan tekuk plastis dari pipa baja stainless 429EM dihitung dari

persamaan (1)-(3). Untuk kemudahan perhitungan, grafik tarik disederhanakan

menjadi grafik bilinier yang memiliki tangent dari kekakuan yang konstan pada

daerah plastis sebagai berikut.

Gambar 3 menunjukkan hubungan antara tegangan dan regangan tekuk

kritis saat perbandingan radius dan ketebalan adalah 13,43. Berdasarkan

pengamatan penelitian (8,11), kita mengasumsikan bahwa prediksi dengan

persamaan (2) kekuatan tekuknya lebih kecil untuk ketebalah dinding rata-rata.

Dari perhitungan, specimen pipa akan mulai tertekuk pada tekanan tegangan

aksial lebih dari 403 MPa.

Finite element analysis adalah cara lain untuk sifat-sifat cylindrical shell.

Axisymmetric element digunakan karena tekukan axisymmetric pada kasus R/t

yang kecil (11). Sifat-sifat material diasumsikan untuk mengikuti bentuk isotropic

hardening yang parameternya diambil dari grafik tegangan-regangan tarik. Kita

definisikan beban tekuk sebagai beban tekan maksimum diamati selama

penekanan. Penempatan radial dari kedua ujung dibatasi untuk simulasi alat

gripping. Batasan ini menghasilkan perbedaan penempatan radial dekat grip

yang pada akhirnya menghasilkan tekukan aksial. Kekuatan tekuk dari metode

finite element adalah 410 MPa, yang sama dengan 2,7% regangan.

Untuk memeriksa prediksi kami menampilkan pengujian monotonic

compression menggunakan sistem gripping ditunjukkan pada Gambar 1.

Spesimen pipa ditekuk dengan cara axisymmetric dan bentuk tekukan secara

kualitatif berdasarkan prediksi dengan metode finit elemen ditunjukkan pada

gambar 4. Ketika perbandingan radiun-ketebalan adalah 13,43, tekukan terjadi

pada regangan 2,7%. Grafik tekanan tegangan-regangan didak sama dengan

grafik tegangan-regangan tarik yang diamati pada kupon spesimen. Maka dari

itu, regangan kritis dapat digunakan sebagai kriteria yang cocok untuk tekuk

plastis. Sepanjang percobaan dan analisis elemen telah dipastikan bahwa teori

prediksi persamaan (3) dapat digunakan untuk kekuatan tekuk dibawah tekanan

monotonik.

Gambar 3. Critical buckling stress of thin wall cylinder (R/t = 13,43).

Gambar 4. Axisymmetric buckling of compression test (a) Monotonic

compression test, (b) Finite element analysis.

3. Hasil dan pembahasan

Buckling (tekuk) dari cylindrical shell dibawah beban tegangan-regangan cyclic

Pada kasus beban cyclic, tekukan dapat terjadi dengan akumulasi

deformasi plastis secara berangsur-angsur, walaupun amplitudo perbandingan

radius-ketebalan kurang dari regangan tekuk kritis dibawah tekanan monotonik.

Maka dari itu, kesetabilan tekukan cyclic penting untuk sruktur dibawah kondisi

beban cyclic. Teori analisis dari kondisi buckling pada beban cyclic belum

dipublikasikan dan tidak mungkin untuk menurunkan rumus seperti seperti

persamaan (1) dan (3). Maka dari itu, kita telah menggunakan metodologi finit

elemen untuk menentukan kondisi bukling untuk kasus beban cyclic.

Gambar 5. Comparison of average stress-average strain curves.

Pengujian multi-level cylic

Pengujian multilevel cyclic dilakukan pada ketebalan spesimen pipa yang

seragam. Amplitudo regangan dinaikan dari 0,3% dengan tambahan 0,2%. 50

tegangan cycle diulang pada setiap level amplitudo regangan. Pengujian yang

sama dilakukan tiga kali untuk memperoleh hasil yang bisa dipercaya. Pengujian

akan baik jika amplitudo regangan mencapai 0,9%, ketika terjadi perubahan

tempat terjadi secara tiba-tiba. Sejak pengujian cyclic dilakukan dibawah

regangan yang dikontrol, Perubahan tempat secara berangsur-angsur pada arah

tekanan dapat dilambangkan pada perubahan bentuk spesimen, yang ditunjukan

dengan buckling. Amplitudo regangan sebesar 0,9% masih lebih kecil dari

kondisi regangan buckling dibawan tekanan monotonik. Dari penelitian ini,

ditunjukkan bahwa kondisi buckling dari beban monotonik tidak bisa diplikasikan

pada beban cyclic.

Analisis finit elemen dari pengujian cyclic

Cyclic buckling terjadi karena perubahan geometri secara bertahap yang

akhirnya akan memicu perubahan geometri secara tiba-tiba. Meskipun buckling

tidak terjadi pada beberapa cycle awal, akumulasi deformasi selama beratus-

ratus atau lebih cycle dapat mengakibatkan cyclic buckling. Analisa FE dilakukan

untuk memeriksa apakah akumulasi perubahan dimensi terjadi. Kita

menggunakan model plastisitas cyclic yang merupakan gabungan antara

kinematik hardening nonlinier dan model hardening isotropik (15). Gambar 6

menunjukkan pengulangan histerisis diambil dari 0,5% regangan cyclic dan

prediksi dengan simulasi FE. Cyclic softening dipertimbangkan menggunakan

menggunakan model hardening isotropik dengan parameter yang cocok dari

sejarah amplitudo regangan.

Fig. 6. Finite element simulation of hysteresis loops.

Gambar 7 adalah plot akumulasi regangan plastis setelah 25 siklus pada

dua amplitudo regangan (0,25 dan 0,75%). Daerah kritis dari akumulasi

regangan dan kegagalan dekat dengan daerah gripping pada kasus amplitudo

regangan yang kecil dan jarak yang dipindah dari daerah grip untuk siklus

regangan pada amplitude besar. Pada kasus lain, kegagalan tidak terjadi pada

panjang ukuran. Pemindahan radial dalam daerah buckling meningkat pada

setiap siklus meskipun siklus regangan pada amplitude yang kecil (∆ε = 0,2%)

dan tonjolan secara berangsur-angsur terjadi. Namun ketidaksesuaian

menunjukan bahwa cyclic buckling tidak dapat dideteksi dengan benar pada

jumlah siklus yang sedikit. dengan specimen dengan ketebalan yang seragam,

yaitu tidak ada pengurangan daerah pengujian, tegangan dan regangan seragam

setiap ukuran panjang, juga amplitude regangan yang besar (∆ε = 1,0%). Maka

disimpulkan bahwa specimen dengan ketebalan yang seragam baik untuk

pengujian deformasi.

Gambar 7. Contour plot of accumulated plastic strain after 25 cycles, (a) ∆ε/2 =

0,25%, (b) ∆ε/2 = 0,75%.

Diameter luar pada bagian tengah berkurang 10% untuk memisahkan sisi

retak awal pada ukuran panjang. Penurunan ini tudak mengurangi keseragaman

regangan dalam ukuran panjang. Gambar 8 menunjukkan garis akumulasi

regangan plastis dan tegangan Von Mises setelah 25 siklus 0,4% regangan.

Distribusi tegangan dan regangan hampir seragam pada ukuran anjang (0-5

mm). Ketika amplitudo regangan lebih besar dari nilai kritis, regangan sepanjang

dinding berbeda dengan cepat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Setelah

beberapa analisa perubahan amplitudo regangan berkisar 0,1-0,9%, amplitudo

regangan kritis untuk buckling sekitar 0,45%.

Gambar 8. Contour plot of accumulated plastic strain and Von Mises

stress after 25 cycles (∆ε/2 = 0,4%).

Pengujian fatik low cycle

Kebalikannya (R = -1) pengujian pengujian fatik low cycle dilakukan pada

amplitudo regangan 0,2; 0,3; 0,4 dan 0,5% dengan pengurangan ukuran

specimen. Translasi perubahan letak puncak dan perubahan bentuk tidak bisa

diamati. Cyclic softening diamati pada setiap pengujian seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 10 dan distabilkan pengulangan histeresis (Gambar 11) dari

perbedaan amplitude regangan. Munculnya fatik ditentukan dari titik mulai dari

penuruna amplitude regangan secara cepat karena mulainya pengurangan

histeresis untuk diubah bentuk setelah titik tersebut. Gambar 12 adalah

hubungan regangan untuk specimen pipa dengan 10% pengurangan. Deformasi

dan ketahanan LCF material pipa ada disetiap pengujian aksial dari spesimen

pipa.

Gambar 9. Distribution of strain through the wall in case of buckling

(∆ε/2 = 0,5%).

Gambar 10. Stress amplitude history of LCF test.

4. Kesimpulan

Ada beberapa kesulitan pada pengujian material pipa, seperti distorsi

oleh gripping dan buckling pada beban tekan. Kita mengembangkan metode

pengujian yang bisa dipakai untuk pipa baja untuk pengujian aksial LCF.

Buckling plastis dari dinding tipis pipa dibawah beban monotonik dan cyclic

dipelajari dengan teori, perhitungan dan percobaan. Pada kasus monotonik,

analisa finite element menunjukkan kesesuaian dengan hasil percobaan dan

prediksi secara teori lebih konservatif dibandingkan penaksiran standar buckling.

Dibawah bebean cyclic, regangan buckling lebih kecil daripada tekanan

monotonik. Menggunakan analisa finit elemen, kita dapatkan daerah non-

buckling yang diijinkan pada pengujian LCF.

Gambar 11. Stabilized hysteresis loops of 429EM stainless steel pipe.

Gambar 12. Strain–life relation of 429EM stainless steel pipe.